Що таке ефект Холла

Що таке ефект Холла


Якщо запитати людину, знайому з фізикою на рівні лише базових знань про те, що таке ефект Холла і де вона застосовується, відповіді можна не отримати. Дивно, але в реаліях сучасного світу таке відбувається досить часто. Насправді ефект Холла використовується в багатьох електротехнічних пристроях. Наприклад, колись популярні комп'ютерні дисководи для дискет визначали початкове положення двигуна за допомогою генераторів Холла. Відповідні датчики «перекочували» і в схеми сучасних приводів для компакт-дисків (як CD, так і DVD). Крім того, області застосування включають не тільки різні вимірювальні прилади, але навіть генератори електричної енергії, засновані на перетворенні тепла в потік заряджених частинок під дією магнітного поля (МГД).


Едвін Герберт Холл у 1879 році, проводячи досліди з проводною пластиною, виявив безпричинне, на перший погляд, явище виникнення потенціалу (напруги), при взаємодії електричного струму і магнітного поля. Але про все по порядку.

Давайте зробимо невеликий уявний експеримент: візьмемо металеву пластину і пропустимо по ній електричний струм. Далі помістимо її в зовнішньому магнітному полі таким чином, щоб лінії напруженості поля були орієнтовані перпендикулярно площині пластини, що проводить. В результаті на гранях (поперек напрямку струму) виникне різність потенціалів. Це і є ефект Холла. Причиною його появи служить відома сила Лоренца.

Існує спосіб визначити значення напруги (іноді званого потенціалом Холла). Загальний вираз набуває вигляду:

Uh = Eh * H,

де H - товщина пластини; Eh - напруженість зовнішнього поля.

Оскільки потенціал виникає завдяки перерозподілу носіїв зарядів у провіднику, то він обмежений (процес не триває нескінченно). Поперечне переміщення зарядів припиниться в той момент, коли значення лоренцової сили (F = q * v * B) зрівняється з протидією q * Eh (q - заряд).

Так як щільність струму J дорівнює виробу концентрації зарядів, їх швидкості і одиничного значення q, тобто

J = n*q*v,

відповідно,

v = J / (q*n).

Звідси слід (пов'язавши формулу з напруженістю):

Eh = B * (J / (q*n)).

Об'єднаємо все вищесказане і визначимо потенціал холу через значення заряду:

Uh = (J*B*H) / n * q).

Ефект Холла дозволяє стверджувати, що іноді в металах спостерігається не електронна, а дірочна провідність. Наприклад, це кадмій, берилій і цинк. Вивчаючи ефект Холла в напівпровідниках, ніхто не сумнівався, що носії заряду - «дірки». Однак, як вже було зазначено, це можна застосувати і до металів. Вважалося, що при розподілі зарядів (формуванні потенціалу Холла) загальний вектор буде утворений електронами (негативний знак). Однак виходило, що в полі струм створюють зовсім не електрони. На практиці дана властивість використовується для визначення щільності носіїв заряду в напівпровідному матеріалі.

Не менш відомий квантовий ефект Холла (1982 рік). Він являє собою одну з властивостей провідності почесного електронного газу (частинки можуть вільно переміщатися лише в двох напрямках) в умовах наднизьких температур і високих зовнішніх магнітних полів. При вивченні даного ефекту було відкрито існування «дробності». Складалося враження, що заряд формується не поодинокими носіями (1 + 1 + 1), а складовими частинами (1 + 1 + 0.5). Однак виявилося, що ніякі закони не порушуються. Згідно з Принципом Паулі, навколо кожного електрона в магнітному полі створюється своєрідний вихор з квантів самого потоку. Зі збільшенням інтенсивності поля виникає ситуація, коли відповідність «один електрон = один вихор» перестає виконуватися. На кожну частку припадає кілька квантів магнітного потоку. Ці нові частинки якраз і є причиною дробового результату при ефекті Холу.